10月19日，由江蘇電力科學(xué)研究院自主研發(fā)的石墨烯改性防腐涂料通過了全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院電工新材料研究所的檢測。檢測結(jié)果顯示所有性能指標(biāo)均超過標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，防腐涂料最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)——耐鹽霧時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)要求提升超30%，涂層附著力較標(biāo)準(zhǔn)要求提升近70%。預(yù)計(jì)10月底，該產(chǎn)品將在鎮(zhèn)江、南通、連云港的電網(wǎng)設(shè)備上試點(diǎn)應(yīng)用。
近年來，以石墨烯為代表的納米新材料在儲(chǔ)能、傳感、防腐等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出較高的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，在電力系統(tǒng)的應(yīng)用潛力也引起了科研人員的關(guān)注。國網(wǎng)江蘇省電力有限公司以江蘇電科院為依托成立了一支材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，立足電網(wǎng)生產(chǎn)實(shí)際需求，圍繞電工新材料的研發(fā)與應(yīng)用，開展一系列共性基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研究。團(tuán)隊(duì)圍繞電網(wǎng)生產(chǎn)難題，打通從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的全過程創(chuàng)新鏈，牽頭研發(fā)了石墨烯復(fù)合導(dǎo)電脂、石墨烯改性防腐涂料等產(chǎn)品，并進(jìn)行推廣應(yīng)用。
發(fā)熱故障設(shè)備的“清涼油”
今年6月30日，材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)的自主研究成果——石墨烯復(fù)合導(dǎo)電脂再獲國網(wǎng)江蘇電力2500千克采購訂單。
設(shè)備發(fā)熱故障是電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中的“老大難”。它不僅增加了電能輸送的損耗，而且影響了設(shè)備安全和供電穩(wěn)定?！跋嚓P(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014年國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)特高壓換流站因發(fā)熱異常導(dǎo)致的臨時(shí)停運(yùn)并影響跨區(qū)送電的故障中，60%是由看似不起眼的導(dǎo)電脂失效引起的?！苯K電科院輸變電技術(shù)中心副主任劉建軍說，“江蘇電網(wǎng)每年也有不少因各類接頭異常發(fā)熱導(dǎo)致的設(shè)備停電檢修，既影響了設(shè)備運(yùn)行可靠性，又帶來了巨大的運(yùn)維成本?！?/p>
團(tuán)隊(duì)利用石墨烯的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性質(zhì)，通過對(duì)石墨烯復(fù)合修飾和功能改性，實(shí)現(xiàn)片層石墨烯與導(dǎo)電脂基礎(chǔ)成分甲基硅油之間的化學(xué)接枝。團(tuán)隊(duì)研究骨干楊立恒介紹說：“這個(gè)化學(xué)接枝正是導(dǎo)電脂的技術(shù)核心，就好比讓甲基硅油和石墨烯手牽手連在一起，從而使導(dǎo)電復(fù)合體系具備更穩(wěn)定的材料結(jié)構(gòu)和更多的導(dǎo)電通路?！?/p>
團(tuán)隊(duì)研制的新型石墨烯復(fù)合導(dǎo)電脂兼顧了優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐候性，主要技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，接觸電阻變化系數(shù)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國際同類產(chǎn)品系數(shù)10%以上，耐鹽霧腐蝕性能高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)50%、高于國際同類產(chǎn)品20%以上，且具備同類產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)的300攝氏度以下穩(wěn)定運(yùn)行、400攝氏度以上運(yùn)行時(shí)間不小于12小時(shí)的技術(shù)優(yōu)勢。
該產(chǎn)品被列為國網(wǎng)江蘇電力首批轉(zhuǎn)化推廣的科研成果，已在南京、無錫、蘇州等多地電網(wǎng)的110～500千伏電壓等級(jí)輸變電設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用近3年，避免了因發(fā)熱問題造成的停電檢修80多起，合計(jì)節(jié)約檢修成本1900多萬元。
戶外電力設(shè)備的“防護(hù)鎧甲”
9月16日下午，隨著最后一個(gè)涂層掛片樣品的劃傷性測試完成，材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)最新研究成果——石墨烯改性防腐涂料的戶外掛片試驗(yàn)順利完成。期間，該團(tuán)隊(duì)共完成石墨烯防腐涂料在碳鋼、熱浸鍍鋅鋼、304不銹鋼等6種材質(zhì)合計(jì)276片試驗(yàn)樣品表面的防腐性能評(píng)估，為下階段的現(xiàn)場試點(diǎn)應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考。
“根據(jù)我們之前繪制的大氣腐蝕等級(jí)地圖，江蘇沿海、沿江大部分區(qū)域腐蝕等級(jí)達(dá)到C4及以上的較嚴(yán)重水平，而超過90%的電網(wǎng)設(shè)備是直接在戶外環(huán)境服役的，所以江蘇電網(wǎng)面臨的設(shè)備腐蝕問題尤為突出。”劉建軍說，“腐蝕會(huì)直接影響設(shè)備使用壽命，導(dǎo)致設(shè)備及結(jié)構(gòu)失效，也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠性降低，甚至形成重大安全隱患。隨著大規(guī)模電網(wǎng)的建設(shè)，尤其是海上光伏發(fā)電、海上風(fēng)電裝機(jī)量的逐年增加，高效的防腐技術(shù)對(duì)電網(wǎng)來說愈發(fā)重要。”
由于傳統(tǒng)的熱鍍鋅涂層易溶解失效，戶外電力設(shè)備尤其是分布于城市工業(yè)區(qū)、海洋鹽霧區(qū)的電力設(shè)備主要通過涂覆防腐涂層進(jìn)行防腐。然而，國產(chǎn)重防腐涂料產(chǎn)品尚存在耐鹽霧性、耐候性差、附著力弱等問題，實(shí)際使用效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因而由腐蝕引發(fā)的電網(wǎng)設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生。
石墨烯材料所具有的二維層狀結(jié)構(gòu)以及超強(qiáng)的化學(xué)惰性，使其在電網(wǎng)設(shè)備防腐方面展現(xiàn)良好效用。在防腐涂料中添加一定規(guī)格的石墨烯片層，并調(diào)控石墨烯與涂層其他組分之間的功能協(xié)同，一方面可以更好地激活鋅粉的犧牲陽極作用，另一方面可以在涂層內(nèi)部形成“迷宮效應(yīng)”，增大外部腐蝕因子的擴(kuò)散路徑，從而顯著增強(qiáng)涂層的防護(hù)性能。
該團(tuán)隊(duì)自2020年年初開始研究石墨烯改性防腐涂料技術(shù)，相繼攻克了復(fù)合涂層中石墨烯分散與改性、石墨烯-環(huán)氧樹脂組分協(xié)同等一系列難題，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石墨烯改性防腐涂料。
“我們所研制的石墨烯改性防腐涂料，附著力、耐劃傷、耐鹽霧性等多個(gè)核心參數(shù)與已有同類產(chǎn)品相比均有技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)石墨烯材料的激活作用使得涂料中用于犧牲陽極的重金屬含量減少了5%～10%，從而使得產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的友好性也更強(qiáng)。”項(xiàng)目研究骨干陳大兵介紹，“前期的掛片試驗(yàn)使我們對(duì)石墨烯改性防腐涂料各方面性能很有信心。我們已選定了省內(nèi)3座存在典型腐蝕問題的變電站，即將開始試點(diǎn)應(yīng)用?！?/p>
對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能器件的創(chuàng)新探索
8月15日，以江蘇電科院為第一通訊單位的關(guān)于新型超級(jí)電容的研究論文正式在《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》發(fā)表。這是材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的又一項(xiàng)科研成果。
隨著光伏發(fā)電、風(fēng)電等新能源電源占比逐步提升，“新能源+儲(chǔ)能”的能源利用模式正逐步普及，儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的重要性也進(jìn)一步凸顯。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能需同時(shí)滿足削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻等多重工況需求，因而儲(chǔ)能器件要兼顧高能量密度和高功率密度。此外，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能發(fā)展還需要保證安全性。
石墨烯不僅導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)秀，還具有超大的比表面積、豐富的電化學(xué)活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能器件研發(fā)中具有應(yīng)用價(jià)值。材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在前瞻性儲(chǔ)能技術(shù)方面多點(diǎn)布局，先后開發(fā)了基于石墨烯-二氧化錳復(fù)合材料電極的水系鋅離子電池、基于石墨烯量子點(diǎn)的鋰離子混合電容器等一系列新型儲(chǔ)能電池器件。
“鋅離子電池采用的是水系電解液，也就是一種鹽的水溶液，與采用有機(jī)電解液的鋰離子電池相比有本質(zhì)安全優(yōu)勢。其電解液本身不可燃，也不會(huì)因熱分解產(chǎn)生易燃?xì)怏w，這樣就從根本上規(guī)避了電池燃燒的安全風(fēng)險(xiǎn)?！眻F(tuán)隊(duì)研究骨干郭東亮說，“鋰離子混合電容器將電池與電容進(jìn)行內(nèi)部交叉，同時(shí)獲得了媲美超級(jí)電容器的功率密度和接近鋰離子電池的能量密度，是一種‘雙高型’的新型電化學(xué)儲(chǔ)能器件，在技術(shù)參數(shù)上更符合調(diào)峰和調(diào)頻的應(yīng)用需求。”
材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)先后獲國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等多個(gè)省部級(jí)以上競爭性項(xiàng)目資助，已在《前沿科學(xué)》《化學(xué)通訊》等國際高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文7篇，獲得國家發(fā)明專利授權(quán)11項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)將不斷夯實(shí)在電池材料設(shè)計(jì)、器件開發(fā)、電化學(xué)機(jī)制等方面的理論基礎(chǔ)，為促進(jìn)儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)研究、儲(chǔ)能事業(yè)發(fā)展做好扎實(shí)知識(shí)儲(chǔ)備。
?。ńK電科院供圖）
評(píng)論